趙翠華+李玉瓊+潘利文
摘 要: 大學(xué)課堂普遍存在的沉悶現(xiàn)象嚴重影響大學(xué)教學(xué)質(zhì)量,為了提高大學(xué)課堂的實效性,本文把MS(Materials Studio)軟件應(yīng)用到材料專業(yè)教學(xué)中,對教學(xué)內(nèi)容進行感官的情景模擬,使學(xué)生直觀地觀察、體驗、發(fā)現(xiàn)、干預(yù)所學(xué)知識,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神,分析問題、解決問題及創(chuàng)新的能力,培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。
關(guān)鍵詞: MS軟件 情景模擬 材料專業(yè)
1.引言
課堂教學(xué)作為高等教育的重要組成部分,其質(zhì)量直接關(guān)系到我國高等教育的水平。目前大學(xué)課堂普遍存在教師缺乏教學(xué)藝術(shù)、大學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)熱情和動力、師生缺乏交流等問題,嚴重影響教學(xué)質(zhì)量。
構(gòu)成課堂教學(xué)的三要素是教師、學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容。處理好三者之間的關(guān)系是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵,但是目前大多數(shù)高校教師并沒有完全理順這三者之間的關(guān)系,沿襲傳統(tǒng)的“教師講學(xué)生聽”的“滿堂灌”教學(xué)模式,導(dǎo)致教師在講臺上講得口干舌燥,筋疲力盡,而學(xué)生在講臺下卻無精打采、昏昏欲睡。在這種教學(xué)方式下,教師是教學(xué)活動中的主角,缺少與學(xué)生的有效互動,沒有很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當代著名教育家張楚廷教授曾說:“中國大學(xué)普遍的沉悶狀態(tài)是令人憂郁的,課堂本是一個應(yīng)激起頭腦風暴的地方,但是它寂靜得令人可怕?!边@句話很形象地說明了我國大學(xué)課堂教學(xué)中存在的弊端。這樣的課堂教學(xué),不利于學(xué)生思維的開闊,不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。
教學(xué)的創(chuàng)造基于方法的更新,因此課堂教學(xué)的改革與教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變緊密結(jié)合。當今世界各國在教育領(lǐng)域的改革重點是關(guān)注教學(xué)方式的變革,其目的是以課堂教學(xué)實施作為切入口,以此探索改革傳統(tǒng)的“以老師和課堂為中心的劃一、封閉及包辦”的教學(xué)方法,從而試圖建立“以學(xué)生為中心,多渠道、多形式、主動吸收信息”的開放式教學(xué)方法模式。在各種各樣的課堂教學(xué)改革實踐中,模擬教學(xué)法最引人注目。模擬教學(xué)是指創(chuàng)造人為的教學(xué)環(huán)境,使學(xué)生在模擬真實的氛圍中學(xué)習(xí)課程所規(guī)定的知識和能力。模擬教學(xué)是一種更宏觀的教學(xué)改革策略,它全面考慮了教育與生活的特有屬性、要求與規(guī)律,模擬社會環(huán)境并通過項目教學(xué)、案例分析、卡片展示等富有針對性的協(xié)作教學(xué)行為,綜合地作用于學(xué)生,其對學(xué)生的專業(yè)能力、方法能力及解決問題的事務(wù)能力等具有非常重要的作用。本文擬采用模擬教學(xué)法,把專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的MS軟件應(yīng)用到材料專業(yè)的課程教學(xué)中,通過模擬教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生直觀看到事物對象發(fā)生的整個動態(tài)過程,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及分析問題和解決問題的能力。
MS軟件是將多范圍的軟件結(jié)合成一個集量子力學(xué)、分子力學(xué)、介觀模型、分析工具模擬和統(tǒng)計相關(guān)應(yīng)用為一體的建模環(huán)境,其研究領(lǐng)域包括晶體和分子材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究、表面和表面重構(gòu)性質(zhì)、表面化學(xué)及分子與材料表面作用研究、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)研究、材料力學(xué)性質(zhì)研究、材料逸出功、電離能計算及STM圖像模擬研究等,是一種強有力的模擬工具。MS軟件可以方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型,并對各種晶體、無定型及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進行模擬計算,得到切實可靠的數(shù)據(jù)。MS軟件的上述特點適合教學(xué),由于它涉及的研究領(lǐng)域比較多,因此在很多材料專業(yè)的課程中都可以應(yīng)用。
本文以材料專業(yè)課程中半導(dǎo)體表面親水疏水這一章節(jié)的內(nèi)容為例,把MS軟件應(yīng)用到這部分內(nèi)容的教學(xué)中,對教學(xué)內(nèi)容進行模擬,通過三維模型的建立和計算,直觀地看到表面吸附作用的整個動態(tài)過程,把抽象的知識形象化,充分調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)新意識,提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。
2.材料專業(yè)課程教學(xué)的現(xiàn)狀
材料專業(yè)的課程內(nèi)容龐雜且比較抽象,難以理解,盡管經(jīng)過不斷的教學(xué)改革,目前在教學(xué)過程中較多地采用了多媒體教學(xué)課件,可以逼真形象地展示材料各組成部分的結(jié)構(gòu)等,增強學(xué)生的感性認識,但是效果還是不盡如人意。學(xué)生存在個體差異,接受能力、理解能力不一致,在以老師為主體的教學(xué)環(huán)境下,學(xué)生只能被動地接受或者部分接受。另外,多媒體教學(xué)課件以演示PPT為主,學(xué)生缺乏在真實的三維空間中直觀形象地了解材料表面發(fā)生作用的真實情況,對課程學(xué)習(xí)只是停留在概念的階段。
3.MS軟件教學(xué)應(yīng)用實例
在以前的學(xué)習(xí)中,大學(xué)生可能已經(jīng)知道半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同,活性大小也不同。通過課堂多媒體的展示,可能看到半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu),但是見到的只是平面圖,看不到真實的三維形象。通過MS軟件建立的半導(dǎo)體表面三維微觀模型,可以使學(xué)生非常清楚地看到表面原子和內(nèi)容原子配位結(jié)構(gòu)的不同,從而更好地理解半導(dǎo)體表面活性比內(nèi)容強的原因。另外,通過MS軟件的模擬,可以形象地展示出半導(dǎo)體表面與水發(fā)生作用的整個動態(tài)過程。下面以FeS2和PbS兩種半導(dǎo)體為例,模擬水分子在FeS2和PbS表面的作用過程,比較水分子在不同表面的吸附作用,并探討不同半導(dǎo)體表面親水疏水的原因。
3.1 FeS2和PbS表面模型的建立
半導(dǎo)體親水和疏水是在表面發(fā)生的,因此采用MS軟件學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時,先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教學(xué)過程中,教師要引導(dǎo)學(xué)生思考,和教師一起完成模擬任務(wù)。表面從優(yōu)化的體相中切出來,在切面的過程中,讓同學(xué)們了解晶面的概念,通過簡單的操作,向?qū)W生展示不同晶面的表面結(jié)構(gòu),并理解不同晶面的差異。在模擬水分子在半導(dǎo)體表面吸附時,一般選用半導(dǎo)體最穩(wěn)定的解離面。通過模擬計算表面能,確定最穩(wěn)定的表面模型。圖1和圖2分別為所建立的FeS2和PbS的表面模型。
從圖1(a)和圖1(b)中三維圖形中可以很清楚地看到,F(xiàn)eS2和PbS具有不同的表面結(jié)構(gòu)。這種不同結(jié)構(gòu)也決定了它們與水分子作用的不同。從圖1還可以看到,不管是FeS2還是PbS半導(dǎo)體,其表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)容都不同。最明顯的不同是表面原子的配位數(shù)與內(nèi)部原子不同(表面層原子的配位數(shù)要小于內(nèi)部原子),也就是說,半導(dǎo)體表面層原子都存在懸掛鍵,這也是表面原子與內(nèi)容原子活性不同的原因,也是為什么吸附發(fā)生在表面的原因。在一般的教學(xué)中,盡管通過多媒體展示可以看到半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu),但是不能看到三維立體模型,不能了解半導(dǎo)體表面原子配位等具體細節(jié),因此對這部分的理解不夠深刻。
3.2材料表面與水的作用
不同材料與水的作用不同,有的親水,有的疏水。一般情況下,我們都是從潤濕角的角度進行分析。如果潤濕角小于90度,就是親水的,如果潤濕角大于90度,就是疏水的。但是對于為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,很多同學(xué)還是不太明白。在這里通過MS軟件的模擬,展示不同的半導(dǎo)體表面與水作用的動態(tài)過程,并從微觀角度分析材料親水疏水的原因。
在實踐中,分子一般是在半導(dǎo)體表面最穩(wěn)定的吸附位進行吸附的,因此對其進行模擬要找出最穩(wěn)定的吸附位。通過測試吸附能可以確定最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。圖2(a)和圖2(b)分別為水分子在FeS2和PbS表面最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。
MS軟件可以展示水分子與FeS2和PbS表面作用的動態(tài)過程,通過觀看這個過程可以知道,水分子被吸附在FeS2表面,而被PbS表面排開,遠離表面。也就是說FeS2表面是親水的,而PbS表面時疏水的。從圖2(a)中可以看出FeS2表面水分子中氧與表面Fe之間的距離為2.184?魡,而PbS表面水分子中氧與表面Pb之間的距離為2.689?魡。這意味著FeS2表面的水被吸附在表面,而PbS表面的水被排開。
上面是單分子水與材料表面的作用,在實踐中,一般都是多分子水與材料表面的作用。通過MS軟件也可以對多分子水與材料表面的作用進行模擬。圖3(a)和圖3(b)為多個水分子與FeS2和PbS表面的作用模型。多分子水吸附過程中,水分子之間會發(fā)生相互作用。通過MS軟件可以展示多分子在材料表面作用的動態(tài)過程,讓學(xué)生們直觀了解水分子之間的作用和水分子與材料表面的作用。同學(xué)們從模擬過程中了解了FeS2的親水和PbS的疏水過程,發(fā)生親水和疏水的原因可以通過MS軟件的模擬結(jié)果分析。
圖4為水分子與FeS2和PbS表面作用的電子密度圖。從圖4(a)可以知道,F(xiàn)eS2表面與水的作用以化學(xué)吸收位置,是強健的作用,而從圖4(b)可以看到,PbS表面與水分子之間的氫鍵是其疏水的本質(zhì),屬于弱鍵作用,這也是FeS2親水而PbS疏水的主要原因。
通過上述模擬,學(xué)生直觀地看到水分子與材料表面的作用整個動態(tài)過程,使非常抽象的知識形象化,使難以理解的概念、條件和結(jié)論變得淺顯易懂,大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和強烈的求知欲望,使學(xué)生自動調(diào)節(jié)全身器官,積極參與教學(xué)。在模擬教學(xué)過程中,學(xué)生的思維跟著模擬內(nèi)容一步一步向前走,每一步都要開動腦筋,激發(fā)學(xué)生的探究精神,并提高他們分析問題和解決問題的能力。
4.結(jié)語
上述研究成果已成功應(yīng)用于材料專業(yè)的教學(xué)之中,采用MS軟件通過具體的實例,在整個模擬過程中,學(xué)生感知、認知、想象及推理事物發(fā)生的形式和過程,用模擬化、形象化和現(xiàn)實化的方式,使學(xué)生直觀地觀察、體驗、發(fā)現(xiàn)、干預(yù),利用這些生動化、信息化了的知識模型,透過現(xiàn)象探索本質(zhì),從而使學(xué)生形象地建立起客觀世界、存在與運動的本質(zhì)屬性,自然地培養(yǎng)學(xué)生的認知能力和創(chuàng)新能力。